(57)【要約】【課題】  外力による２つの容量の微少な容量値の変化を検出する容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】  各発振器３０、３２は、容量値が外力に応じて変化する容量Ｃ１、Ｃ２をそれぞれ有し、容量値に応じた第１発振信号ＦＡ、ＦＢを生成する。各容量Ｃ１、Ｃ２は、例えば、基板と、基板に対向して移動可能に配置され基板に直交する方向に振動する質量体の間に形成される。検出部３６、３８、３９は、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の相対的なずれを、第１発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数のずれとして検出する。そして、基板の水平方向に与えられる角速度または加速度が、検出部３６、３８、３９により検出される周波数の変化に応じて求められる。【選択図】    図４
2005326285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量値が外力に応じて変化する容量を有し、前記容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する複数の発振器と、
前記容量値の相対的なずれを、前記第１発振信号の周波数のずれとして検出する検出部とを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【請求項２】
請求項１記載の容量差検出回路において、
前記発振器の少なくとも１つは、
容量値が可変な可変容量ダイオードと、
前記可変容量ダイオードの容量値を調整するための制御端子とを備え、
前記可変容量ダイオードを有する発振器は、前記容量と前記可変容量ダイオードとの容量値に応じて、前記第１発振信号を生成することを特徴とする容量差検出回路。
【請求項３】
請求項１記載の容量差検出回路において、
前記複数の発振器は、一対の発振器であり、
前記検出部は、
一対の前記第１発振信号を受信し、受信した第１発振信号の周波数差に等しい周波数を有する周波数差信号を出力するミキサを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【請求項４】
請求項３記載の容量差検出回路において、
前記発振器を構成する前記容量の容量値は、外力を受けていない初期状態において互いに異なり、
前記ミキサは、前記初期状態において、前記第１発振信号の周波数の差である初期周波数を示す前記周波数差信号を出力することを特徴とする容量差検出回路。
【請求項５】
請求項３記載の容量差検出回路において、
前記第１発振信号の周波数差が予め設定された値より小さいときに、マスク信号を活性化するマスク制御部を備え、
前記ミキサは、前記マスク信号の活性化を受けている間、周波数差がゼロであることを示す前記周波数差信号を出力することを特徴とする容量差検出回路。
【請求項６】
請求項３記載の容量差検出回路において、
前記発振器と前記ミキサとの間にそれぞれ配置され、前記発振器から前記第１発振信号を受け、第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を前記第１発振信号として前記ミキサ回路に出力する一対のＰＬＬ回路を備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【請求項７】
請求項３記載の容量差検出回路において、
分周器を有し、一方の前記発振器と前記ミキサとの間にそれぞれ配置され、前記一方の発振器から一方の前記第１発振信号を受け、前記一方の第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を前記一方の第１発振信号として前記ミキサ回路に出力するＰＬＬ回路と、
外力を受けていない初期状態において、前記第２発振信号の周波数を前記他方の第１発振信号の周波数に一致させるために、前記分周器の分周比を変更する分周制御部とを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【請求項８】
請求項１記載の容量差検出回路において、
基板と、
前記基板に対向して移動可能に配置され、前記基板に直交する方向に振動する質量体と
を備え、
前記複数の発振器は、一対の発振器であり、
前記各発振器の前記容量は、基板上に形成される第１電極と、前記質量体上に前記第１電極に対向して形成される第２電極とにより構成され、
前記各発振器は、外力により前記基板に対して相対移動する前記質量体に応じて変化する前記容量の容量値に応じた周波数の第１発振信号を生成することを特徴とする容量差検出回路。
【請求項９】
容量値が外力に応じて変化する容量を有し、前記容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する一対の発振器と、
電圧制御発振器を有し、前記発振器からの前記第１発振信号をそれぞれ受け、前記電圧制御発振器から第２発振信号をそれぞれ出力する一対のＰＬＬ回路と、
前記第１発振信号と前記第２発振信号との周波数に応じて調整される前記電圧制御発振器への入力電圧を、前記ＰＬＬ回路に対応してそれぞれ受け、受けた入力電圧の差を前記容量値の相対的なずれとして検出する検出部とを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上に形成される一対の第１電極と
前記基板に対向して移動可能に配置され、前記基板に直交する方向に振動するとともに、振動方向に直交する角速度または加速度により変位する質量体と、
前記質量体における前記第１電極に対向する位置にそれぞれ形成された第２電極と、
互いに対向する前記第１および第２電極により構成される一対の容量を有し、前記容量の容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する一対の発振器と、
前記容量値の相対的なずれを、前記第１発振信号の周波数の変化として検出する検出部と、
前記周波数の変化に応じて前記基板の水平方向に与えられる角速度または加速度を求める主制御部と備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの容量の容量値の変化を検出する容量差検出回路および加えられた角速度または加速度を２つの容量の容量値の変化に応じて検出するＭＥＭＳセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（MicroElectroMechanical Systems）により形成されるＭＥＭＳセンサ（角速度センサおよび加速度センサ）が実用されている。この種のＭＥＭＳセンサは、基板と、この基板に対して移動可能に配置され、基板の垂直方向に振動する質量体と、基板と質量体との間に形成される２つの容量とを有している。そして、振動方向に直交するコリオリ力（加えられる角速度または加速度に対応する）による質量体の基板に対する変位が、２つの容量の容量値の変化（容量値の差）として検出される。
【０００３】
この種のＭＥＭＳセンサは、例えば、コリオリ力による容量値の変化を、容量値（容量への充放電）に応じて変化する遅延時間の差として検出する。具体的には、２つの容量がそれぞれ接続される２つのノードにパルス信号がそれぞれ与えられる。パルス信号の遅延時間は、容量値の違いによって互いに相違する。次に、互いにずれたパルス信号の遅延差に対応するパルス幅を有するパルス信号が生成され、このパルス信号の電圧が平滑される。そして、平滑により得られるＤＣ電圧の変化が、角速度または加速度として検出される。
【０００４】
また、容量を用いて共振回路を構成し、共振回路から出力される発振信号と基準発振器から出力される基準発振信号との位相の差を、容量値の変化として検出する手法が開示されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−２７８３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＥＭＳセンサは、半導体製造技術を用いて形成されるため、各素子の大きさを非常に小さくできる。その反面、ＭＥＭＳセンサを構成する容量の容量値も小さくなるため、コリオリ力による容量値の変化量は小さくなる。すなわち、検出感度は低くなる。容量値の変化量が極めて小さい場合、遅延時間の変化は小さくなり、ＤＣ電圧はほとんど変化しなくなる。この結果、小さい角速度および加速度を検出できない場合がある。具体的には、ＭＥＭＳセンサに用いる容量の容量値は数ｐＦと小さく、コリオリ力による１つの容量の容量値の変化は、数十ｆＦである。このため、角速度および加速度に応じて変化する２つの容量の容量値の差は、数ａＦ〜数十ａＦになる。換言すれば、数ａＦの容量値の差を検出できる高感度のＭＥＭＳセンサが必要である。
【０００６】
なお、上述した特許文献１の手法では、容量値が外力に応じて変化する共振回路が１つしか存在しない。このため、外力に応じて変換する２つの容量の容量値の差を検出する容量差検出回路は、構成できない。また、基板と質量体との間に２つの容量が形成され、コリオリ力によりそれぞれ変化する容量値に応じて角速度または加速度を検出するＭＥＭＳセンサは、構成できない。
【０００７】
本発明の目的は、外力による２つの容量の微少な容量値の変化を検出する容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の容量差検出回路の一形態では、複数の発振器は、容量値が外力に応じて変化する容量をそれぞれ有している。各発振器は、容量値に応じた第１発振信号を生成する。検出部は、容量の容量値の相対的なずれを、第１発振信号の周波数のずれとして検出する。このため、微少な容量値の違いを高い精度で検出できる。
【０００９】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、発振器の少なくとも１つは、制御端子により容量値を調整可能な可変容量ダイオードを含んでいる。このため、可変容量ダイオードを有する発振器は、調整により容量値を変更することで第１発振信号の周波数を変更できる。したがって、複数の発振器の発振周波数が、製造誤差等により一致していない場合にも、これ等周波数を容易に一致させることができる。換言すれば、容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの製造条件を緩和しても、発振器の発振周波数を容易に一致させることができる。この結果、製造コストを削減できる。
【００１０】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、一対の発振器が第１発振信号をそれぞれ出力する。検出部を構成するミキサは、一対の第１発振信号を受信し、受信した第１発振信号の周波数差に等しい周波数を有する周波数差信号を出力する。このため、周波数差信号の周波数をモニタすることで、容量値の差を高い精度で検出できる。
【００１１】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、発振器を構成する容量の容量値は、外力を受けていない初期状態において互いに異なる。このため、初期状態において、第１発振信号の周波数は互いに異なる。ミキサは、初期状態において、第１発振信号の周波数の差である初期周波数を示す周波数差信号を出力する。初期状態において、発振信号の周波数を予め相違させておくことで、すなわち、所定のオフセットを設けておくことで、ミキサが出力する周波数差信号の周波数は、初期状態において厳密にゼロにする必要がなくなる。この結果、ミキサを簡易な回路で構成でき、設計コストおよび製造コストを削減できる。
【００１２】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、ミキサは、一対の第１発振信号の周波数差が小さいときに活性化されるマスク信号を受けている間、周波数差の差がゼロであることを示す周波数差信号を出力する。このため、検出不要な周波数領域（所定の周波数以下）の周波数差信号を判定する動作が不要になり、判定動作に伴う消費電力を削減できる。
【００１３】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、一対のＰＬＬ回路が、発振器とミキサとの間にそれぞれ配置される。各ＰＬＬ回路は、発振器から第１発振信号を受け、第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を第１発振信号としてミキサ回路に出力する。このため、ミキサが出力する周波数差信号の周波数を高くでき、容量値の差を検出するための感度を上げることができる。
【００１４】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、一方の発振器は、ＰＬＬ回路を介してミキサに接続されている。このため、ミキサの一方の入力には、第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号が供給される。分周制御部は、外力を受けていない初期状態において、第２発振信号の周波数を他方の第１発振信号の周波数に一致させるために、分周器の分周比を変更する。このため、初期状態において、一対の発振器の容量の容量値が互いに異なる場合でも、ミキサに供給される発振信号の周波数を自動的に一致させることができる。
【００１５】
本発明の容量差検出回路の一形態における好ましい例では、一対の発振器の各容量は、基板上に形成される第１電極と、質量体上に第１電極に対向して形成される第２電極とにより構成されている。質量体は、基板に対向して移動可能に配置され、基板に直交する方
向に振動する。各発振器は、外力により基板に対して相対移動する質量体に応じて変化する容量の容量値に応じた周波数の第１発振信号を生成する。このため、外力により変化する容量値の差を容易に検出できる。
【００１６】
本発明の容量差検出回路の別の形態では、一対の発振器は、容量値が外力に応じて変化する容量を有し、容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する。一対のＰＬＬ回路は、電圧制御発振器を有し、発振器からの第１発振信号をそれぞれ受け、電圧制御発振器から第２発振信号をそれぞれ出力する。検出部は、第１発振信号と第２発振信号との周波数に応じて調整される電圧制御発振器への入力電圧を、ＰＬＬ回路に対応してそれぞれ受け、受けた入力電圧の差を容量値の相対的なずれとして検出する。すなわち、検出部は、容量の容量値の相対的なずれを、入力電圧のずれとして検出する。このため、微少な容量値の違いを高い精度で検出できる。
【００１７】
本発明のＭＥＭＳセンサの一形態では、一対の第１電極が基板上に形成され、質量体上の第１電極に対向する位置に第２電極が形成されている。質量体は、基板に対向して移動可能に配置され、基板に直交する方向に振動し、振動方向に直交するコリオリ力により変位する。また、一対の容量が、互いに対向する第１および第２電極により構成されている。一対の発振器は、容量の容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する。検出部は、容量の容量値の相対的なずれを、第１発振信号の周波数のずれとして検出する。主制御部は、検出部により検出される周波数の変化に応じて、基板の水平方向に与えられる角速度または加速度を求める。このため、角速度または加速度によって生じる容量値の差を高い精度で検出できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサでは、外力による２つの容量の微少な容量値の変化を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。外部端子を介して供給される信号には、端子名と同じ符号を使用する。また、信号が伝達される信号線には、信号名と同じ符号を使用する。
【００２０】
図１は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第１の実施形態の要部であるＭＥＭＳ部１００を示している。容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサは、シリコン基板等の半導体基板上に半導体製造技術（例えば、ＣＭＯＳプロセス）を使用して形成されている。この実施形態では、ＭＥＭＳセンサは、いわゆる１軸用のセンサであり、ＭＥＭＳ部１００と、図４に示す容量差検出回路２００とを有している。ＭＥＭＳセンサは、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。
【００２１】
ＭＥＭＳ部１００および容量差検出回路２００は、同じ半導体基板上に形成することが望ましい（１チップ構成）。これは、後述するように、容量差検出回路２００の発振回路３０、３２を構成する容量Ｃ１、Ｃ２が、ＭＥＭＳ部１００に形成されるためである。なお、ＭＥＭＳ部１００および容量差検出回路２００を、別の半導体基板上に形成してもよい（２チップ構成）。
【００２２】
ＭＥＭＳセンサのＭＥＭＳ部１００は、所定間隔をおいて形成される一対のガラス基板１０、１２と、ガラス基板１０、１２の対向部分における両側（図の左右）に配置され、ガラス基板１０、１２に直交するシリコン壁１４、１６と、ガラス基板１０、１２とシリコン壁１４、１６との内側に構成される空間１８とを有している。空間１８内には、ガラス基板１０に対向する振動板２０が形成されている。振動板２０は、両端（図の左右）が
シリコン壁１４、１６に支持されており（両持ち梁構造）、その中央部分は、ガラス基板１０、１２の直交方向に移動可能（振動可能）である。振動板２０のガラス基板１２側の表面には、おもり２２が形成されている。振動板２０とおもり２２とにより、基板１０の直交方向（図の上下方向）に振動する質量体が形成されている。
【００２３】
ガラス基板１０の振動板２０側の表面には、一対の第１電極１０ａ、１０ｂと駆動電極１０ｃとが形成されている。駆動電極１０ｃは、第１電極１０ａ、１０ｂの間に形成されている。振動板２０のガラス基板１０側の表面には、第２電極２０ａ、２０ｂと駆動電極２０ｃとが、第１電極１０ａ、１０ｂおよび駆動電極１０ｃに対向する位置にそれぞれ形成されている。第１および第２電極１０ａ、２０ａにより、容量Ｃ１が形成されている。第１および第２電極１０ｂ、２０ｂにより、容量Ｃ２が形成されている。容量Ｃ１、Ｃ２の容量値は、第１電極と第２電極の距離に応じて変化する。
【００２４】
おもり２２のガラス基板１２側の表面には、一対の電極２２ａ、２２ｂと駆動電極２２ｃとが形成されている。駆動電極２２ｃは、電極２２ａ、２２ｂの間に形成されている。ガラス基板１２の振動板２０側の表面には、一対の電極１２ａ、１２ｂと駆動電極１２ｃとが、電極２２ａ、２２ｂおよび駆動電極２２ｃに対向する位置にそれぞれ形成されている。
【００２５】
図２は、図１に示した振動板２０が振動する様子を示している。振動板２０は、図示しない駆動回路が、駆動電極１０ｃ、２０ｃの電圧の正負（相対値）と、駆動電極２２ｃ、１２ｃの電圧の正負（相対値）とを所定の周期（例えば、数十ｋＨｚ）で切り換えることで、ガラス基板１０の直交方向に振動する（図中の矢印および実線と破線で示した信号板２０）。振動に伴い、第１電極１０ａ、１０ｂと、第２電極２０ａ、２０ｂとの距離は変化し、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値は周期的に変化する。駆動回路が生成する駆動電圧は、ＭＥＭＳセンサが動作中に、駆動電極１０ｃ、２０ｃ、２２ｃ、１２ｃに常時与えられる。
【００２６】
図３は、ＭＥＭＳセンサの動作中（振動板２０の振動中）に、振動方向の直交方向（ガラス基板１０の水平方向）から外力Ｆ（角速度または加速度）を受けたときの状態を示している。振動板２０は、図の上下方向に振動しているため、外力Ｆは、コリオリ力として作用する。容量Ｃ１、Ｃ２の容量値は、振動板２０のコリオリ力による変形に応じて変化する。そして、後述する図４に示す容量差検出回路２００は、容量値の変化（差）をＭＥＭＳセンサに与えられた角速度または加速度として検出する。
【００２７】
図４は、第１の実施形態におけるＭＥＭＳセンサを構成する容量差検出回路２００を示している。容量差検出回路２００は、発振信号ＦＡ（第１発振信号）を生成する発振器３０、発振信号ＦＢ（第１発振信号）を生成する発振器３２、ミキサ３４、周波数／電圧変換器３６、周波数比較器３８および主制御部３９を有している。周波数／電圧変換器３６、周波数比較器３８および主制御部３９は、後述するように、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の相対的なずれを、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数のずれとして検出する検出部として動作する。
【００２８】
発振器３０、３２は、図１に示した容量Ｃ１、Ｃ２をそれぞれ含んで構成されている。すなわち、発振器３０、３２が生成する発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の変化に応じて変化する。ミキサ３４は、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数の差を検出し、この差に等しい周波数を有する周波数差信号ＦＯＵＴを出力する。周波数／電圧変換器３６は、平滑部を有しており、周波数差信号ＦＯＵＴの正電圧成分を平滑し、平滑した電圧を周波数差に応じた検出電圧ＶＯＵＴとして出力する。検出電圧ＶＯＵＴは、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の差を示す。この実施形態では、検出電圧ＶＯＵＴは、周波数差がゼロのとき０Ｖになり、周波数差（絶対値）が大きくなるに従い上昇する。
【００２９】
周波数比較器３８は、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数の大小を比較し、比較結果を比較信号ＶＣＭＰとして出力する。例えば、容量差検出回路２００に供給される電源電圧ＶＣＣが３Ｖの場合、周波数比較器３８は、発振信号の周波数が”ＦＡ＝ＦＢ”のとき、電圧が１．５Ｖ（ＶＣＣ／２）の比較信号ＶＣＭＰを出力する。周波数比較器３８は、発振信号の周波数が”ＦＡ＞ＦＢ”のとき、１．５Ｖより高い電圧を有する比較信号ＶＣＭＰを出力し、”ＦＡ＜ＦＢ”のとき、１．５Ｖより低い電圧を有する比較信号ＶＣＭＰを出力する。すなわち、発振信号ＦＡの周波数が発振信号ＦＢの周波数より高いほど（容量Ｃ１の容量値が容量Ｃ２の容量値より小さいほど）、比較信号ＶＣＭＰの電圧は高くなり、発振信号ＦＡの周波数が発振信号ＦＢの周波数より低いほど（容量Ｃ１の容量値が容量Ｃ２の容量値より大きいほど）、比較信号ＶＣＭＰの電圧は低くなる。
【００３０】
主制御部３９は、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数のずれを示す検出電圧ＶＯＵＴおよび比較信号ＶＣＭＰに応じて、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の差および差の変化を検出し、検出結果に応じてＭＥＭＳ部１００に与えられた外力Ｆ（角速度または加速度）を算出する。具体的には、主制御部３９は、ある方向に向く所定値より大きい加速度を検出したたとき、エアバックを作動させる。例えば、検出電圧ＶＯＵＴおよび比較信号ＶＣＭＰは、主制御部３９内のＡＤ変換器によりディジタル値に変換される。主制御部３９は、変換されたディジタル値に応じて、角速度または加速度を求める。なお、主制御部３９は、ＭＥＭＳセンサ全体の動作を制御する。
【００３１】
図５は、図４に示した発振器３０、３２の詳細を示している。発振器３０、３２は、同じ素子構成を有しており、同じ特性を有するＬＣ共振回路により構成されている。コイルＬ１１に並列に接続される容量Ｃ１０は、図１に示したＭＥＭＳ部１００に形成された容量Ｃ１またはＣ２のいずれかに対応している。発振信号ＦＡ（またはＦＢ）の周波数は、容量の容量値（Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４の総量）とコイルＬ１１のインダクタンスに応じて決まる。
【００３２】
一般に、ＬＣ発振器から出力される発振信号の周波数ｆは、容量の総容量値をＣとし、コイルのインダクタンスをＬとして、式（１）で表される。
ｆ＝１／（２π・ｓｑｒｔ（ＬＣ））  ‥‥‥  （１）
発振器３０、３２の総容量値およびインダクタンスは、互いに等しいため、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、ＭＥＭＳ部１００が外力Ｆを受けていない状態で、互いに等しくなる。振動板２０が振動している場合にも、外力Ｆを受けていなければ、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の変化は互いに同じため、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、互いに等しくなる。一方、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値は、図３で説明したように、外力Ｆを受けたときに互いに相違する。インダクタンスＬは不変であるため、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、外力Ｆ（コリオリ力）に応じて互いに相違する。
【００３３】
上述したＭＥＭＳセンサでは、振動する振動板２０とガラス基板１０の間に形成される容量Ｃ１、Ｃ２の容量値は、外力Ｆを受けたときに振動板２０に作用するコリオリ力に応じて変化し、互いに異なる値になる。容量差検出回路２００の発振器３０、３２は、容量Ｃ１、Ｃ２を含む共振回路を構成するため、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の変化に依存して変化する。すなわち、ミキサ３４は、容量値の相対的なずれを周波数の変化（差）として検出する。
【００３４】
具体的な例として、ＭＥＭＳセンサに加えられた外力Ｆにより、容量Ｃ２の容量値が、容量Ｃ１の容量値に対して２ａＦだけ増加したときの容量差検出回路２００の動作を以下に示す。ここで、外力Ｆを受けていない状態で、発振回路３０、３２の総容量値を４ｐＦとし、コイルＬ１１のインダクタンスＬを６ｎＨとする。
【００３５】
外力Ｆを受けたときの発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、発振器３０、３２の総容量値をそれぞれ４ｐＦ、４．０００００２ｐＦとして、上述した式（１）より、１０２７．３４０９５０ＭＨｚ、１０２７．３４０６９７ＭＨｚになる。したがって、ミキサ３４は、２５３Ｈｚの周波数差信号ＦＯＵＴを出力する。周波数差信号ＦＯＵＴの周波数は、周波数／電圧変換器３６により容量値の差を示す検出電圧ＶＯＵＴに変換される。すなわち、容量差検出回路２００の主制御部３９は、わずか２ａＦの容量値のずれを、２５３Ｈｚの周波数として検出できる。主制御部３９は、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値のどちらが大きいかを、周波数比較器３８が出力する比較信号ＶＣＭＰの電圧をモニタすることで判定する。
【００３６】
このように、主制御部３９は、検出電圧ＶＯＵＴおよび比較信号ＶＣＭＰをモニタすることで容量Ｃ１、Ｃ２の容量値のずれを検出し、検出結果に応じてＭＥＭＳセンサに与えられた外力Ｆ（角速度または加速度）を検出する。
【００３７】
以上、第１の実施形態では、ＭＥＭＳ部１００に形成される容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の差を発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数の差として検出することで、微少な容量値の違いを高い精度で検出できる。この結果、検出される周波数の変化に応じて、基板１０の水平方向に与えられる外力Ｆ（角速度または加速度）を高い精度で求めることができる。
【００３８】
ミキサ３４により、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数の差を示す周波数を有する周波数差信号ＦＯＵＴを生成し、周波数／電圧変換部３６により周波数差信号ＦＯＵＴの電圧成分を平滑することで、容量値の差を検出電圧ＶＯＵＴとして検出できる。このため、主制御部３９は、ＡＤ変換器等を用いて、電圧に応じて角速度または加速度を求めればよく、その回路構成を簡易にできる。
【００３９】
周波数比較器３８により発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数の大小を比較することで、容量値の差だけでなく、容量値の大小関係を判定できる。
【００４０】
図６は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第２の実施形態の要部を示している。第１の実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。この実施形態では、容量差検出回路２００Ａの発振器３２Ａが、第１の実施形態の発振器３２と相違している。その他の構成は、第１の実施形態と同じである。すなわち、ＭＥＭＳセンサは、図１に示したＭＥＭＳ部１００を有し、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。発振器３２Ａは、制御端子ＶＴを有しており、制御端子ＶＴに印加する電圧に応じて、発振周波数を調整可能である。
【００４１】
図７は、図６に示した発振器３２Ａの詳細を示している。発振器３２Ａは、第１の実施形態の発振器３０（図５）と同様に、ＬＣ共振回路により構成されている。発振器３２Ａの容量Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４、コイルＬ２１、抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３およびトランジスタＱ２０は、発振器３０の容量Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、コイルＬ１１、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびトランジスタＱ１０とそれぞれ同じ特性を有して形成されている。すなわち、これ等素子のレイアウトパターンは、互いに同じである。但し、発振器３２Ａは、容量Ｃ２に直列に接続された可変容量ダイオード（バリキャップ）ＶＣを有している。容量Ｃ２の容量値は、外力Ｆが与えられない状態で、容量Ｃ１の容量値と相違している。容量Ｃ２と可変容量ダイオードＶＣと総容量値は、外力Ｆが与えられない状態で、容量値Ｃ１とほぼ同じである。
【００４２】
可変容量ダイオードＶＣは、容量値を調整するための制御電圧ＶＴを受ける制御端子ＶＴを有している。一般に、同じ素子で構成される発振器は、理想的には同じ周波数の発振
信号を出力する。しかし、半導体製造技術を使用して実際に形成される素子の特性はばらつく。このため、発振信号の周波数は、厳密には同じにならない。制御電圧ＶＴにより可変容量ダイオードＶＣの容量値を調整し、発振器３２の容量値の合計を、発振器３０の容量値の合計に合わせることで、製造誤差等が存在する場合にも、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を同じにできる。特に、ＭＥＭＳセンサの製造後に発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を同じにできる。
【００４３】
以上、第２の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、発振器３２Ａの制御端子ＶＴに制御電圧を与えることで、ＭＥＭＳセンサの製造後に、製造誤差等により互いにずれている発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を一致させることができる。この結果、周波数の不一致による不良を救済でき、ＭＥＭＳセンサの製造歩留を向上できる。換言すれば、容量差検出回路２００ＡおよびＭＥＭＳセンサの製造条件を緩和しても、発振器３０、３２Ａの発振周波数を一致させることができる。この結果、製造コストを削減できる。
【００４４】
図８は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第３の実施形態の要部を示している。第１および第２の実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。この実施形態では、第２の実施形態の容量差検出回路２００Ａの代わりに容量差検出回路２００Ｂが形成されている。ＭＥＭＳセンサは、容量差検出回路２００Ｂを除いて、第１の実施形態と同じである。すなわち、ＭＥＭＳセンサは、図１に示したＭＥＭＳ部１００を有し、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。
【００４５】
容量差検出回路２００Ｂは、ミキサ３４Ｂおよび主制御部３９Ｂが、第２の実施形態の容量差検出回路２００Ａのミキサ３４および主制御部３９と相違している。また、容量差検出回路２００Ｂは、新たにマスク制御部４０Ｂを有している。その他の構成は、第２の実施形態の容量差検出回路２００Ａと同じである。
【００４６】
ミキサ３４Ｂは、第１の実施形態のミキサ３４の機能に加え、マスク信号ＭＳＫに応じて非活性化される機能を有している。具体的には、ミキサ３４Ｂは、マスク信号ＭＳＫの活性化を受けたときに、非活性化され、周波数がゼロの周波数差信号ＦＯＵＴを出力する。このため、マスク信号ＭＳＫが活性化されている期間、周波数／電圧変換器３６は、ＭＥＭＳ部１００の状態に拘わらず、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数が一致していると判断し、一致を示す０Ｖの検出電圧ＶＯＵＴを出力する。
【００４７】
マスク制御部４０Ｂは、比較信号ＶＣＭＰおよび参照電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２（ＶＲＥＦ１＜ＶＲＥＦ２）を受け、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２の間にあるとき、マスク信号ＭＳＫを活性化する。マスク制御部４０Ｂは、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１より低いとき、または参照電圧ＶＲＥＦ２より高いとき、マスク信号ＭＳＫを非活性化する。また、マスク制御部４０Ｂは、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１より低いときに符号信号ＳＩＧを低レベルに変化させ、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ２より高いときに符号信号ＳＩＧを高レベルに変化させる。符号信号ＳＩＧは、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数のいずれが高いのかを判定するために用いられる。
【００４８】
主制御部３９Ｂは、第１の実施形態の主制御部３９とほぼ同じ機能を有している。主制御部３９Ｂは、検出電圧ＶＯＵＴおよび符号信号ＳＩＧに応じて、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の差および差の変化を検出し、検出結果に応じてＭＥＭＳ部１００に与えられた外力Ｆ（角速度または加速度）を算出する。容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の大小関係は、符号信号ＳＩＧにより判定される。そして、主制御部３９Ｂは、ある方向に向く所定値より大きい加
速度を検出したたとき、エアバックを作動させる。なお、主制御部３９Ｂは、ＭＥＭＳセンサ全体の動作を制御する。
【００４９】
図９は、図８に示したマスク制御部４０Ｂの詳細を示している。マスク制御部４０Ｂは、差動増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２、ＡＮＤゲートおよびバッファ回路ＢＵＦを有している。差動増幅器ＡＭＰ１は、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１より高いときに高レベルを出力し、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１より低いときに低レベルを出力する。参照電圧ＶＲＥＦ１は、例えば、ＶＣＣ／２より閾値Ｖ１だけ低い値に設定されている（ＶＣＣ＝３Ｖ、Ｖ１＝０．１Ｖとして、ＶＲＥＦ１＝１．４Ｖ）。
【００５０】
差動増幅器ＡＭＰ２は、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ２より低いときに高レベルを出力し、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ２より高いときに低レベルを出力する。参照電圧ＶＲＥＦ２は、例えば、ＶＣＣ／２より閾値Ｖ１だけ高い値に設定されている（ＶＣＣ＝３Ｖ、Ｖ１＝０．１Ｖとして、ＶＲＥＦ１＝１．６Ｖ）。
【００５１】
ＡＮＤゲートは、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１と参照電圧ＶＲＥＦ２の間にあるとき、マスク信号ＭＳＫを高レベルに活性化し、比較信号ＶＣＭＰの電圧が参照電圧ＶＲＥＦ１より低いとき、または参照電圧ＶＲＥＦ２より高いとき、マスク信号ＭＳＫを低レベルに非活性化する。バッファ回路ＢＵＦは、差動増幅器ＡＭＰ１の出力電圧を符号信号ＳＩＧ（高レベルまたは低レベルを示す２値の論理信号）に変換する。
【００５２】
この実施形態のＭＥＭＳセンサでは、比較信号ＶＣＭＰの電圧が１．４Ｖ〜１．６Ｖのとき、ミキサ３４Ｂは、周波数がゼロの周波数差信号ＦＯＵＴを出力し、周波数／電圧変換器３６は、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の一致を示す０Ｖの検出電圧ＶＯＵＴを出力する。このため、主制御部３９Ｂは、ＭＥＭＳ部１００に外力Ｆが与えられて容量値が互いにずれた場合にも、比較信号ＶＣＭＰの電圧が１．４Ｖ〜１．６Ｖのときに、角速度または加速度を検出しない。このように、容量値の変化の不感帯を設けることで、角速度または加速度の検出感度を下げることができる。具体的には、例えば、第１の実施形態と同様に、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の差が２ａＦのとき、２５３Ｈｚの周波数差信号ＦＯＵＴが出力される場合、容量値の差が２ａＦより小さいときに、すなわち、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数差が予め設定された２５３Ｈｚより小さいときに、マスク信号ＭＳＫを活性化する。このため、周波数差信号ＦＯＵＴの周波数は、２５３Ｈｚより低くなるべきときに常に０Ｈｚになる。したがって、主制御部３９Ｂが、検出不要な周波数領域（２５３Ｈｚ以下）の周波数差信号ＦＯＵＴに応じて動作することを防止でき、消費電力を削減できる。
【００５３】
以上、第３の実施形態においても、上述した第１および第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、検出不要な周波数領域の周波数差信号ＦＯＵＴに応じて、主制御部３９Ｂが動作することを防止できる。この結果、ＭＥＭＳセンサの動作中の消費電力を削減できる。
【００５４】
図１０は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第４の実施形態の要部を示している。第１〜第３の実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。この実施形態では、第３の実施形態の容量差検出回路２００Ｂの代わりに容量差検出回路２００Ｃが形成されている。ＭＥＭＳセンサは、容量差検出回路２００Ｃを除いて、第１および第２の実施形態と同じである。すなわち、ＭＥＭＳセンサは、図１に示したＭＥＭＳ部１００を有し、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。
【００５５】
容量差検出回路２００Ｃは、ミキサ３４および周波数／電圧変換器３６Ｃが、ミキサ３４Ｂおよび周波数／電圧変換器３６と相違していることを除き、第３の実施形態の容量差
検出回路２００Ｂと同じである。周波数／電圧変換器３６Ｃは、第１の実施形態の周波数／電圧変換器３６の機能に加え、マスク信号ＭＳＫに応じて非活性化される機能を有している。具体的には、周波数／電圧変換器３６Ｃは、マスク信号ＭＳＫの活性化を受けたときに、非活性化される。このとき、ＭＥＭＳ部１００（図１）の状態に拘わらず、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数が一致していることを示す０Ｖの検出電圧ＶＯＵＴを出力する。すなわち、第３の実施形態と同様に、主制御部３９Ｂは、ＭＥＭＳ部１００に外力Ｆが与えられて容量値が互いにずれた場合にも、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数差が予め設定された値より小さいときに（例えば、比較信号ＶＣＭＰの電圧が１．４Ｖ〜１．６Ｖのときに）、角速度または加速度を検出しない。
【００５６】
以上、第４の実施形態においても、上述した第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
図１１は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第５の実施形態の要部を示している。第１の実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。ＭＥＭＳセンサは、図１に示したＭＥＭＳ部１００および容量差検出回路２００Ｄを有し、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。
【００５８】
容量差検出回路２００Ｄは、発振信号ＦＡ（第１発振信号）を生成する発振器３０、発振信号ＦＢ（第１発振信号）を生成する発振器３２、発振信号ＦＡ、ＦＢをそれぞれ受けるＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄ、ミキサ３４、周波数／電圧変換器３６Ｃ、周波数比較器３８および主制御部３９Ｄを有している。ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄは、互いに同じ回路である。主制御部３９Ｄは、第１の実施形態の主制御部３９の機能に加え、ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄの分周比を変更する機能を有している。
【００５９】
ＰＬＬ回路４２Ｄは、内蔵する分周器の分周比に応じて、発振信号ＦＡより高い周波数の発振信号ＦＡ２（第２発振信号）を生成する。ＰＬＬ４３Ｄは、内蔵する分周器の分周比に応じて、発振信号ＦＢより高い周波数の発振信号ＦＢ２（第２発振信号）を生成する。ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄは、内蔵する分周器の分周比を変えるために主制御部３９Ｄから出力される変更信号ＲＩＮＡ、ＲＩＮＢ（設定値）を受ける入力端子（図示せず）を有している。ミキサは、発振信号ＦＡ２、ＦＢ２の周波数の差を検出し、この周波数差に等しい周波数を有する周波数差信号ＦＯＵＴを出力する。
【００６０】
ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄを発振器３０、３２とミキサ３４との間に挿入することで、ミキサ３４に供給される発振信号ＦＡ２、ＦＢ２の周波数は、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数より高くなる。これに伴い、周波数差を示す周波数差信号ＦＯＵＴの周波数は高くなる。このため、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の変化の検出感度は、向上する。具体的には、発振信号ＦＡ２、ＦＢ２の周波数を発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数の２倍にする場合、周波数差信号ＦＯＵＴの周波数が２５３Ｈｚのとき、１ａＦの容量値の差を検出できる。
【００６１】
図１２は、図１１に示したＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄの詳細を示している。ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄは、同じ回路のため、ここでは、ＰＬＬ回路４２Ｄのみを説明する。ＰＬＬ４２Ｄは、分周器１／Ｒ、位相比較器Ｐ／Ｄ、チャージポンプＣ／Ｐ、ローパスフィルタＬＰＦ、電圧制御発振器ＶＣＯおよび分周器１／Ｎを有している。なお、主制御部３９Ｄは、分周器１／Ｒ、１／Ｎの分周比を変更する機能を有している。
【００６２】
一般のＰＬＬ回路と同様に、ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄから出力される発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数ＦＶＣＯは、ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄに入力される発振信号ＦＡ０、ＦＢ０の周波数をＦＯＳＣ、分周器１／Ｒの分周比をＲ、分周器１／Ｎの分周比をＮとすると
、式（２）で表せる。
ＦＶＣＯ＝ＦＯＳＣ・（Ｎ／Ｒ）  ‥‥‥  （２）
このため、分周比Ｒを小さくし、分周比Ｎを大きくすることで、発振信号ＦＡ２、ＦＢ２の周波数を高くできる。また、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、分周比Ｒ、Ｎを変更することで自在に変えることができる。このため、ＭＥＭＳセンサに外力Ｆが加えられていない状態（容量Ｃ１、Ｃ２の平衡状態）で、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を、分周比Ｒ、Ｎの変更により一致させることができる。すなわち、この実施形態では、第２の実施形態（図６）のように、発振回路３２Ａに可変容量ダイオードＶＣを挿入し、制御端子ＶＴにより容量値を調整することが不要になる。このため、発振器３０、３２に製造誤差等が存在する場合にも、ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄの少なくとも一方の分周比Ｒ、Ｎを変更することで、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を同じにできる。
【００６３】
以上、第５の実施形態においても、上述した第１〜第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄの少なくとも一方の分周比Ｒ、Ｎを変更することで、ＭＥＭＳセンサの製造後に、製造誤差等により互いにずれている発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を一致させることができる。この結果、周波数の不一致による不良を救済でき、ＭＥＭＳセンサの製造歩留を向上できる。換言すれば、容量差検出回路２００ＤおよびＭＥＭＳセンサの製造条件を緩和しても、発振器３０、３２Ａの発振周波数を一致させることができる。この結果、製造コストを削減できる。
【００６４】
また、ＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄを用いて、ミキサ３４に供給される発振信号ＦＡ２、ＦＢ２の周波数を発振器３０、３２が出力する発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数より高くすることで、周波数差を示す周波数差信号ＦＯＵＴの周波数を高くすることができる。この結果、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の変化の検出感度を、向上できる。
【００６５】
図１３は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第６の実施形態の要部を示している。第１および第５の実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。ＭＥＭＳセンサは、図１に示したＭＥＭＳ部１００および容量差検出回路２００Ｅを有し、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。
【００６６】
容量差検出回路２００Ｅは、発振信号ＦＡ（第１発振信号）を生成する発振器３０、発振信号ＦＢ（第１発振信号）を生成する発振器３２Ｅ、発振信号ＦＢを受け発振信号ＦＢ２を出力するＰＬＬ回路４２Ｅ、発振信号ＦＡ、ＦＢ２を受けるミキサ３４、周波数／電圧変換器３６、周波数比較器３８、ＡＤ変換器４４Ｅ、演算回路４６Ｅ、レジスタ４８Ｅおよび主制御部３９Ｅを有している。主制御部３９Ｅは、第１の実施形態の主制御部３９の機能に加え、ＡＤ変換器４４Ｅおよび演算回路４６の動作を制御する機能を有している。ＡＤ変換器４４Ｅ、演算回路４６Ｅおよびレジスタ４８Ｅは、後述するように、外力Ｆを受けていない初期状態において、発振信号ＦＡ、ＦＢ２の周波数を互いに一致させるためにＰＬＬ回路４２Ｅの分周器の分周比を変更する分周制御部として動作する。
【００６７】
この実施形態では、発振器３０（ＬＣ共振回路）は、ＭＥＭＳ部１００（図１）に形成される容量Ｃ１を用いて構成される。ＰＬＬ回路４２Ｅ内の電圧制御発振器（図示せず）は、ＭＥＭＳ部１００に形成される容量Ｃ２を用いて構成される。発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数は、理想的には同じであるが、素子の製造誤差等により僅かにずれる場合がある。
【００６８】
ＡＤ変換器４４Ｅは、ＭＥＭＳ部１００に外力Ｆが加えられない状態中（容量Ｃ１、Ｃ２の平衡状態；例えば、ＭＥＭＳセンサの初期化シーケンス中）に、主制御部３９Ｅからの活性化信号ＡＣＴ１を受けて動作し、周波数比較器３８から出力される比較信号ＶＣＭＰの電圧を、ディジタル値に変換する。演算回路４６Ｅは、主制御部３９Ｅからの活性化
信号ＡＣＴ２を受けて動作し、ＡＤ変換器４４Ｅから出力されるディジタル値に応じて、ミキサ３４に供給される発振信号ＦＡ、ＦＢ２の周波数を一致させるためのＰＬＬ回路４２Ｅの分周比（図１２で説明した分周比Ｒ、Ｎ）を求める。レジスタ４６Ｅは、演算回路４６Ｅから出力される分周比を示すディジタル値を保持し、保持しているディジタル値をＰＬＬ回路４２Ｅに出力する。ＰＬＬ回路４２Ｅは、受けたディジタル値に応じて、内蔵する分周器（図示せず）の分周比を変更する。このため、ＭＥＭＳセンサの初期化シーケンス中に、発振信号ＦＢ２の周波数は、自動的に発振信号ＦＡの周波数に一致する。
【００６９】
具体的には、初期化シーケンス中に、例えば図４で説明したように、周波数比較器３８は、周波数がＦＡ＞ＦＢ２のとき、１．５Ｖより高い電圧を有する比較信号ＶＣＭＰを出力する。演算回路４６Ｅは、周波数をＦＡ＝ＦＢ２にするために、ディジタル値に応じてＰＬＬ回路４２Ｅの分周比を求め、求めた分周比をＰＬＬ回路４２Ｅに設定するための設定値を、レジスタ４８Ｅを介してＰＬＬ回路４２Ｅに出力する。ＰＬＬ回路４２Ｅは、レジスタ４８Ｅを介して供給される設定値に応じて分周比を変更する。そして、発振信号ＦＡ、ＦＢ２の周波数が一致する。
【００７０】
主制御部３９Ｅは、初期化シーケンスにおいて、発振信号ＦＡ、ＦＢ１の周波数が一致した後、活性化信号ＡＣＴ１−２を非活性化し、ＡＤ変換器４４Ｅおよび演算回路４６Ｅの動作を停止する。ＭＥＭＳセンサの動作中にＡＤ変換器４４Ｅおよび演算回路４６Ｅの動作を停止することで、消費電力が削減される。レジスタ４８Ｅは、ＡＤ変換器４４Ｅおよび演算回路４６Ｅが動作を停止した後、最後に書き込まれた分周比を示す設定値（発振信号ＦＡ、ＦＢ１の周波数を一致させるための値）を保持し続ける。このため、ＭＥＭＳセンサが動作を開始した後、外力ＦがＭＥＭＳ部１００に加えられない平衡状態で、発振信号ＦＡ、ＦＢ１の周波数は、互いに一致する。
【００７１】
なお、レジスタ４８Ｅを不揮発性メモリで構成することで、発振信号ＦＡ、ＦＢ２を一致させるための分周比を、ＭＥＭＳセンサの製造工程（試験工程）で設定することが可能になる。このため、ＭＥＭＳセンサの製造後に、製造誤差等により互いにずれている発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数を一致させることができる。この結果、第２および第５の実施形態と同様に、周波数の不一致による不良を救済でき、ＭＥＭＳセンサの製造歩留を向上でき、製造コストを削減できる。
【００７２】
以上、第６の実施形態においても、上述した第１、第２および第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
図１４は、本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第７の実施形態の要部を示している。第１および第５の実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。ＭＥＭＳセンサは、図１に示したＭＥＭＳ部１００および容量差検出回路２００Ｆを有し、例えば、自動車に搭載されるエアバックを作動するためのセンサに適用される。
【００７４】
容量差検出回路２００Ｆは、発振信号ＦＡ、ＦＢをそれぞれ生成する発振器３０、３２、発振信号ＦＡを受け発振信号ＦＡ２を出力するＰＬＬ回路４２Ｄ、発振信号ＦＢを受け発振信号ＦＢ２を出力するＰＬＬ回路４３Ｄ、およびＰＬＬ回路４２Ｄ、４３Ｄの電圧制御発振器ＶＣＯの入力電圧ＶＴＡ、ＶＴＢを受け、入力電圧ＶＴＡ、ＶＴＢの差を検出電圧ＶＯＵＴとして出力する差動増幅器５０を有している。差動増幅器５０は、後述するように、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の相対的なずれを、発振信号ＦＡ、ＦＢの周波数のずれとして検出する検出部として動作する。
【００７５】
この実施形態では、電圧制御発振器ＶＣＯの入力電圧を差動増幅器５０で直接比較する
ことで、ＭＥＭＳセンサの動作中に、容量Ｃ１、Ｃ２の容量値の差が検出される。なお、ＭＥＭＳ部１００（図１）に外力Ｆが加えられない状態（容量Ｃ１、Ｃ２の平衡状態）で、ＭＥＭＳセンサの製造誤差等により容量Ｃ１、Ｃ２の容量値が互いに異なる場合、入力電圧ＶＴＡ、ＶＴＢも互いに異なる。この場合、平衡状態における検出電圧ＶＯＵＴを補正値（ディジタル値）として保持するレジスタを形成し、ＭＥＭＳセンサの動作中に出力される検出電圧ＶＯＵＴをレジスタに保持されている補正値に応じて補正することで、容量値の差の検出精度を向上できる。
【００７６】
以上、第７の実施形態においても、上述した第１および第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
なお、上述した第１、第２、第５、第６実施形態において、ＭＥＭＳ部１００が外力Ｆを受けていない平衡状態（初期状態）で、ミキサ３４に供給される一対の発振信号の周波数を予めずらしてもよい。この場合、ミキサ３４は、平衡状態中に所定の周波数の周波数差信号ＦＯＵＴを出力する。すなわち、平衡状態において、オフセットを持った周波数がゼロでない周波数信号ＦＯＵＴが出力される。平衡状態において周波数信号ＦＯＵＴの周波数を厳密にゼロにする必要がなくなるため、ミキサ３４を簡易な回路で構成でき、設計コストおよび製造コストを削減できる。
【００７８】
上述した第１、第５、第６実施形態の容量差検出回路に、第３または第４の実施形態のマスク制御部４０Ｂを形成し、主制御部が検出不要な周波数領域の周波数差信号ＦＯＵＴに応じて動作することを防止してもよい。
【００７９】
上述した第５〜第７の実施形態のＰＬＬ回路を、分数分周機能を有する分周器を用いて構成することで、分周比を微調整できる。このため、外力Ｆを受けていない初期状態において、ミキサに供給される発振信号の周波数を確実に一致させることができる。
【００８０】
上述した第１〜第７の実施形態では、外力Ｆに応じて容量値がそれぞれ変化する一対の容量Ｃ１、Ｃ２を用いてＭＥＭＳセンサを構成する例について述べた。本発明は、かかる実施形態に限定されるものでない。例えば、２つあるいは３つの容量対Ｃ１、Ｃ２を用いて、高精度で動作する２軸用あるいは３軸用のＭＥＭＳセンサを構成できる。この場合、２つのＭＥＭＳ部１００あるいは３つのＭＥＭＳ部１００が、互いに異なる軸に沿って配置される。
【００８１】
以上の実施形態において説明した発明を整理して、付記として開示する。
（付記１）
容量値が外力に応じて変化する容量を有し、前記容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する複数の発振器と、
前記容量値の相対的なずれを、前記第１発振信号の周波数のずれとして検出する検出部とを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
（付記２）
付記１記載の容量差検出回路において、
前記発振器の少なくとも１つは、
容量値が可変な可変容量ダイオードと、
前記可変容量ダイオードの容量値を調整するための制御端子とを備え、
前記可変容量ダイオードを有する発振器は、前記容量と前記可変容量ダイオードとの容量値に応じて、前記第１発振信号を生成することを特徴とする容量差検出回路。
【００８２】
（付記３）
付記１記載の容量差検出回路において、
前記複数の発振器は、一対の発振器であり、
前記検出部は、
一対の前記第１発振信号を受信し、受信した第１発振信号の周波数差に等しい周波数を有する周波数差信号を出力するミキサを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
（付記４）
付記３記載の容量差検出回路において、
前記検出部は、
前記周波数差信号の周波数を、前記容量値の差を示す検出電圧に変換する周波数／電圧変換部を備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【００８３】
（付記５）
付記４記載の容量差検出回路において、
前記周波数／電圧変換部は、前記周波数差信号の正電圧成分を平滑し、前記検出電圧として出力する平滑部を備えていることを特徴とする容量差検出回路。
（付記６）
付記４記載の容量差検出回路において、
一対の前記第１発振信号の周波数差が予め設定された値より小さいときに、マスク信号を活性化するマスク制御部を備え、
前記周波数／電圧変換部は、前記マスク信号の活性化を受けている間、容量値の差がゼロであることを示す前記検出電圧を出力することを特徴とする容量差検出回路。
【００８４】
（付記７）
付記３記載の容量差検出回路において、
前記発振器を構成する前記容量の容量値は、外力を受けていない初期状態において互いに異なり、
前記ミキサは、前記初期状態において、予め設定された初期周波数を示す前記周波数差信号を出力することを特徴とする容量差検出回路。
（付記８）
付記３記載の容量差検出回路において、
前記第１発振信号の周波数の大小を比較する周波数比較器を備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【００８５】
（付記９）
付記３記載の容量差検出回路において、
前記第１発振信号の周波数差が予め設定された値より小さいときに、マスク信号を活性化するマスク制御部を備え、
前記ミキサは、前記マスク信号の活性化を受けている間、周波数差がゼロであることを示す前記周波数差信号を出力することを特徴とする容量差検出回路。
（付記１０）
付記３記載の容量差検出回路において、
前記発振器と前記ミキサとの間にそれぞれ配置され、前記発振器から前記第１発振信号を受け、第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を前記第１発振信号として前記ミキサ回路に出力する一対のＰＬＬ回路を備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【００８６】
（付記１１）
付記１０記載の容量差検出回路において、
前記ＰＬＬ回路は、外力を受けていない初期状態において、前記ミキサで受ける前記第２発振信号の周波数を一致させるために、内蔵する分周器の分周比を変えるための設定値を受ける入力端子を備えていることを特徴とする容量差検出回路。
（付記１２）
付記１１記載の容量差検出回路において、
前記分周器は、分数分周機能を有することを特徴とする容量差検出回路。
【００８７】
（付記１３）
付記３記載の容量差検出回路において、
分周器を有し、一方の前記発振器と前記ミキサとの間にそれぞれ配置され、前記一方の発振器から一方の前記第１発振信号を受け、前記一方の第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を前記一方の第１発振信号として前記ミキサ回路に出力するＰＬＬ回路と、
外力を受けていない初期状態において、前記第２発振信号の周波数を前記他方の第１発振信号の周波数に一致させるために、前記分周器の分周比を変更する分周制御部とを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
（付記１４）
付記１３記載の容量差検出回路において、
他方の前記発振器から出力される他方の前記第１発振信号の周波数と、前記第２発振信号の周波数との大小を比較する周波数比較器を備え、
前記分周制御部は、前記分周器の分周比を、前記周波数比較器での比較結果に応じて変更することを特徴とする容量差検出回路。
【００８８】
（付記１５）
付記１３記載の容量差検出回路において、
前記ＰＬＬ回路は、分周器を備え、
前記分周器は、分数分周機能を有することを特徴とする容量差検出回路。
（付記１６）
付記１記載の容量差検出回路において、
基板と、
前記基板に対向して移動可能に配置され、前記基板に直交する方向に振動する質量体とを備え、
前記複数の発振器は、一対の発振器であり、
前記各発振器の前記容量は、基板上に形成される第１電極と、前記質量体上に前記第１電極に対向して形成される第２電極とにより構成され、
前記各発振器は、外力により前記基板に対して相対移動する前記質量体に応じて変化する前記容量の容量値に応じた周波数の第１発振信号を生成することを特徴とする容量差検出回路。
【００８９】
（付記１７）
容量値が外力に応じて変化する容量を有し、前記容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する一対の発振器と、
電圧制御発振器を有し、前記発振器からの前記第１発振信号をそれぞれ受け、前記電圧制御発振器から第２発振信号をそれぞれ出力する一対のＰＬＬ回路と、
前記第１発振信号と前記第２発振信号との周波数に応じて調整される前記電圧制御発振器への入力電圧を、前記ＰＬＬ回路に対応してそれぞれ受け、受けた入力電圧の差を前記容量値の相対的なずれとして検出する検出部とを備えていることを特徴とする容量差検出回路。
【００９０】
（付記１８）
基板と、
前記基板上に形成される一対の第１電極と
前記基板に対向して移動可能に配置され、前記基板に直交する方向に振動するとともに
、振動方向に直交する角速度または加速度により変位する質量体と、
前記質量体における前記第１電極に対向する位置にそれぞれ形成された第２電極と、
互いに対向する前記第１および第２電極により構成される一対の容量を有し、前記容量の容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する一対の発振器と、
前記容量値の相対的なずれを、前記第１発振信号の周波数の変化として検出する検出部と、
前記周波数の変化に応じて前記基板の水平方向に与えられる角速度または加速度を求める主制御部と備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記１９）
付記１８記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記発振器の少なくとも１つは、
容量値が可変な可変容量ダイオードと、
前記可変容量ダイオードの容量値を調整するための制御端子とを備え、
前記可変容量ダイオードを有する発振器は、前記容量と前記可変容量ダイオードとの容量値に応じて、前記第１発振信号を生成することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９１】
（付記２０）
付記１８記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記検出部は、
一対の前記第１発振信号を受信し、受信した第１発振信号の周波数差に等しい周波数を有する周波数差信号を出力するミキサを備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記２１）
付記２０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記検出部は、
前記周波数差信号の周波数を、前記容量値の差を示す検出電圧に変換する周波数／電圧変換部を備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９２】
（付記２２）
付記２１記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記周波数／電圧変換部は、前記周波数差信号の正電圧成分を平滑し、前記検出電圧として出力する平滑部を備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記２３）
付記２１記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
一対の前記第１発振信号の周波数差が予め設定された値より小さいときに、マスク信号を活性化するマスク制御部を備え、
前記周波数／電圧変換部は、前記マスク信号の活性化を受けている間、容量値の差がゼロであることを示す前記検出電圧を出力することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９３】
（付記２４）
付記２０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記発振器を構成する前記容量の容量値は、外力を受けていない初期状態において互いに異なり、
前記ミキサは、前記初期状態において、予め設定された初期周波数を示す前記周波数差信号を出力することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記２５）
付記２０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記第１発振信号の周波数の大小を比較する周波数比較器を備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９４】
（付記２６）
付記２０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記第１発振信号の周波数差が予め設定された値より小さいときに、マスク信号を活性化するマスク制御部を備え、
前記ミキサは、前記マスク信号の活性化を受けている間、周波数差がゼロであることを示す前記周波数差信号を出力することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記２７）
付記２０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記発振器と前記ミキサとの間にそれぞれ配置され、前記発振器から前記第１発振信号を受け、第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を前記第１発振信号として前記ミキサ回路に出力する一対のＰＬＬ回路を備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９５】
（付記２８）
付記２７記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＰＬＬ回路は、外力を受けていない初期状態において、前記ミキサで受ける前記第２発振信号の周波数を一致させるために、内蔵する分周器の分周比を変えるための設定値を受ける入力端子を備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記２９）
付記２８記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記分周器は、分数分周機能を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９６】
（付記３０）
付記２０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
分周器を有し、一方の前記発振器と前記ミキサとの間にそれぞれ配置され、前記一方の発振器から一方の前記第１発振信号を受け、前記一方の第１発振信号の周波数より高い周波数を有する第２発振信号を生成し、生成した第２発振信号を前記一方の第１発振信号として前記ミキサ回路に出力するＰＬＬ回路と、
外力を受けていない初期状態において、前記第２発振信号の周波数を前記他方の第１発振信号の周波数に一致させるために、前記分周器の分周比を変更する分周制御部とを備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記３１）
付記３０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
他方の前記発振器から出力される他方の前記第１発振信号の周波数と、前記第２発振信号の周波数との大小を比較する周波数比較器を備え、
前記分周制御部は、前記分周器の分周比を、前記周波数比較器での比較結果に応じて変更することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９７】
（付記３２）
付記３０記載のＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ＰＬＬ回路は、分周器を備え、
前記分周器は、分数分周機能を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
（付記３３）
基板と、
前記基板上に形成される一対の第１電極と
前記基板に対向して移動可能に配置され、基板に直交する方向に振動するとともに、振動方向に直交する角速度または加速度により変位する質量体と、
前記質量体における前記第１電極に対向する位置にそれぞれ形成された第２電極と、
互いに対向する前記第１および第２電極により構成される一対の容量を有し、前記容量の容量値に応じた第１発振信号をそれぞれ生成する一対の発振器と、
電圧制御発振器を有し、前記発振器からの前記第１発振信号をそれぞれ受け、前記電圧
制御発振器から第２発振信号をそれぞれ出力する一対のＰＬＬ回路と、
前記第１発振信号と前記第２発振信号との周波数に応じて調整される前記電圧制御発振器への入力電圧を、前記ＰＬＬ回路に対応してそれぞれ受け、受けた入力電圧の差を前記容量値の相対的なずれとして検出する検出部と、
前記周波数の変化に応じて前記基板の水平方向に与えられる角速度または加速度を求める主制御部と備えていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【００９８】
付記４の容量差検出回路および付記２１のＭＥＭＳセンサでは、周波数差信号の周波数を、周波数／電圧変換部により、容量値の差を示す検出電圧に変換することで、容量値の相対差をＡＤ変換器等の簡易な回路でモニタできる。
【００９９】
付記６の容量差検出回路および付記２３のＭＥＭＳセンサでは、周波数／電圧変換部は、一対の第１発振信号の周波数差が小さいときに活性化されるマスク信号を受けている間、容量値の差がゼロであることを示す検出電圧を出力する。このため、検出不要な周波数領域（所定の周波数以下）の周波数差信号を判定する動作が不要になり、判定動作に伴う消費電力を削減できる。
【０１００】
付記８の容量差検出回路および付記２５のＭＥＭＳセンサでは、周波数比較器により第１発振信号の周波数の大小を比較することで、容量値の差だけでなく、容量値の大小関係を判定できる。
【０１０１】
付記１１の容量差検出回路および付記２８のＭＥＭＳセンサでは、外力を受けていない初期状態において、ＰＬＬ回路の入力端子に、内蔵する分周器の分周比を変えるための設定値を供給し、ＰＬＬ回路から出力される第２発振信号の周波数を変えることで、ミキサで受ける第２発振信号の周波数を一致させることができる。
【０１０２】
付記１２、付記１５の容量差検出回路および付記２９、付記３２のＭＥＭＳセンサでは、分数分周機能を有する分周器を用いてＰＬＬ回路のを構成することで、分周比を微調整できる。このため、外力を受けていない初期状態において、ミキサに供給される発振信号の周波数を確実に一致させることができる。
【０１０３】
以上、本発明について詳細に説明してきたが、上記の実施形態およびその変形例は発明の一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。本発明を逸脱しない範囲で変形可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第１の実施形態の要部であるＭＥＭＳ部を示す断面図。
【図２】図１に示した振動板が振動する様子を示す断面図。
【図３】ＭＥＭＳセンサの動作中に、振動方向の直交方向から外力を受けたときの状態を示す断面図。
【図４】第１の実施形態におけるＭＥＭＳセンサを構成する容量差検出回路を示すブロック図。
【図５】図４に示した発振器の詳細を示す回路図。
【図６】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第２の実施形態の要部を示すブロック図。
【図７】図６に示した発振器３２Ａの詳細を示す回路図。
【図８】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第３の実施形態の要部を示すブロック図。
【図９】図８に示したマスク制御部の詳細を示す回路図。
【図１０】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第４の実施形態の要部を示すブロック図。
【図１１】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第５の実施形態の要部を示すブロック図。
【図１２】図１１に示したＰＬＬ回路の詳細を示すブロック図。
【図１３】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第６の実施形態の要部を示すブロック図。
【図１４】本発明の容量差検出回路およびＭＥＭＳセンサの第７の実施形態の要部を示すブロック図。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  ガラス基板
１０ａ、１０ｂ  第１電極
１０ｃ  駆動電極
１２  ガラス基板
１２ａ、１２ｂ  電極
１２ｃ  駆動電極
１４、１６  シリコン壁
１８  空間
２０  振動板
２０ａ、２０ｂ  第２電極
２０ｃ  駆動電極
２２  おもり
２２ａ、２２ｂ  電極
２２ｃ  駆動電極
３０  発振器
３２、３２Ａ  発振器
３４  ミキサ
３６、３６Ｃ  周波数／電圧変換器
３８  周波数比較器
４０Ｂ  マスク制御部
４２Ｄ、４２Ｅ  ＰＬＬ回路
４３Ｄ  ＰＬＬ回路
４４Ｅ  ＡＤ変換器
４６Ｅ  演算回路
４８Ｅ  レジスタ
５０  差動増幅器
１００  ＭＥＭＳ部
２００，２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ  容量差検出回路
２００Ｄ，２００Ｅ、２００Ｆ  容量差検出回路
Ｃ１、Ｃ２  容量
Ｆ  外力
ＦＡ、ＦＢ  発振信号
ＦＡ２、ＦＢ２  発振信号
ＦＯＵＴ  周波数差信号
ＭＳＫ  マスク信号
ＳＩＧ  符号信号
ＶＣＭＰ  比較信号
ＶＯＵＴ  検出電圧
ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２  参照電圧
【図１】
2005326285.tif 000003
【図２】
2005326285.tif 000004
【図３】
2005326285.tif 000005
【図４】
2005326285.tif 000006
【図５】
2005326285.tif 000007
【図６】
2005326285.tif 000008
【図７】
2005326285.tif 000009
【図８】
2005326285.tif 000010
【図９】
2005326285.tif 000011
【図１０】
2005326285.tif 000012
【図１１】
2005326285.tif 000013
【図１２】
2005326285.tif 000014
【図１３】
2005326285.tif 000015
【図１４】
2005326285.tif 000016